Biomechanics in exact translation means the mechanics of life. In essence, it is the science of how we are organized and how we work.
The human body consists of a series of links connected to each other and able to rotate in relation to each other. These links are supported by bones. One of the main questions in biomechanics is how the links of the human machine are joined together and how they move each other.
Pic. 1. Human bone skeleton.
The human skeleton (Pic. 1) consists of 170 separate bones, which are more or less mutually movable. However, we will not consider all the joints between them. First of all, we will greatly simplify the skeleton of the human machine, turning it into what we will call a shortened scheme of the human body.
Then the abbreviated scheme gets the following form:
We will designate the connections between these links as follows:
1 - cervical-occipital joint.
2 - shoulder with.
3 - elbow with.
4 - radiant with wrist.
5 - hip with.
6 - knee with.
7 - ankle with.
Let's start with the torso. The torso is a chain of separate segments, joined together. From each segment - the vertebrae - both sides of the bone lintel - ribs, bound together by elastic stretch marks - muscles. This is the most initial scheme of the structure of the vertebrate animal.
The limbs are newer addition to this ancient system.
The basic scheme of the limb is reminiscent of a hand; it is attached to the body by means of one bone; two whole limbs are joined to this bone, etc., until such a limb becomes a whole bundle of radially arranged bones.
Pic. 2. Scheme depicting the development of vertebrate extremities.
Now let's move on to the structure of the joints.
The articulating bones are lined up at the joint by the elastic joint cartilage. The cartilage of both bones is very precisely aligned with each other. The entire joint is enclosed in an impermeable bag, inside which a small cavity is created. This bag strengthens the joint and at the same time serves as a lubricator: the inner shell of it emits a liquid that constantly lubricates the rubbing surfaces of the cartilage.
Pic. 3. Longitudinal sawing of three vertebrae. Spongiform bodies of the vertebrae are connected by cartilaginous cushions on the left; spinous processes of the vertebrae are joined together between the ligaments on the right. In the middle is a spinal cord channel with holes for nerve entry and exit. (Spaltogoltz).
That's not all. The joints are surrounded on all sides by muscles that are joined together with both bones. The muscles on the other hand have great tensile strength. Moreover, they are constantly stretched slightly and contribute to the consolidation of the joint to an even greater extent than the air pressure.
Pic. 4. Elbow joint of the right hand opened from the front. The shoulder-length block and the shoulder-beam ball are clearly visible. A - shoulder, B - elbow, C - radius. (According to Toldt).
The bone has a huge and versatile mechanical strength. In general, the strength of the bone is close to that of brass. At the same time, bone structures are extremely light. What makes this bone strength so strong? What substance does it consist of?
The chemical composition of the bone is not complicated: it consists mostly of different lime salts, mainly phosphorus-acid lime.
Bone matter consists entirely of the finest tubes permeated by very thin channels. The wall of such a tubule consists of a number of layers, and each layer is a net of the finest fibers, impregnated with lime salts.
If you are familiar with iron-concrete structures, then you will see in the structure of the walls of the bone tubules a great resemblance to these structures. Fibrous meshes correspond to the reinforcement of iron-concrete beams, and lime salts correspond to concrete.
Living bone has one remarkable property. It develops most strongly where and where it is most affected and degenerates in places and directions where it is not affected. Therefore, it turns out that the bone is a kind of self-built automatic bridge.
It means that the whole bone has a structure of a tube. It is built in the same way as the tubes that make up the bicycle frame and, like the latter, combines strength with material savings. The bone ends are dressed with a thin, continuous layer of bone material on the surface, and inside this bone material forms a system of intercrossing partitions. It is interesting that where several adjacent bones are subjected to the same effort, the partitions in them represent a direct continuation of each other.
All in all, we have somewhat mastered the structure, biomechanical capabilities and properties of the human machine. This is necessary, because sufficient familiarity with the basic characteristics of the machine allows us to apply our knowledge to all kinds of individual cases in the future.
Sources: Dr. Nikolai Bernstein. Biomechanics for engineers. "Новая Москва", 1925 http://wix.to/FkA4BKI
_________________________________________________________________________
Биомеханика в точном переводе значит механика жизни. В сущности это есть наука о том, как устроены мы и как мы работаем.
Человеческое тело состоит из ряда звеньев, соединенных между собой и способных вращаться одно относительно другого. Опорою этим звеньям служат кости. Один из главных вопросов биомеханики – то, как сочленены между собой звенья человеческой машины, и какова их взаимная подвижность.
Рис. 1. Костный скелет человека.
Скелет человека (рис. 1) состоит из 170 отдельных костей, которые более или менее взаимно подвижны. Однако рассматривать все имеющиеся между ними сочленения мы не будем. Прежде всего сильно упростим скелет человеческой машины, превратив его в то, что будем называть сокращенной схемой человеческого тела.
Тогда сокращенная схема получает следующий вид:
Сочленения между этими звеньями мы обозначим так:
1 — шейно-затылочное сочленение. 2 — плечевое с. 3 — локтевое с. 4 — лучезапястное с. 5 — тазобедренное с. 6 — коленное с. 7 — голеностопное с.
Начнем с туловища. Туловище представляет собою цепочку из отдельных члеников, сочлененных друг с другом. От каждого членика — позвонка — в обе стороны отходят костные перекладинки — ребра, связанные между собой упругими растяжками — мышцами. Это самая первоначальная схема строения позвоночного животного.
Более новым добавлением к этой древнейшей системе являются конечности.
Основная схема конечности напоминает собою кисть; она присоединена к телу посредством одной кости; с этой костью сочленены целых две и т. д., пока к концу такая конечность не превратится в целую связку лучеобразно расположенных костей.
Рис. 2. Схема, изображающая развитие конечностей позвоночных.
Перейдем теперь к строению сочленений.
Сочленяемые кости выстланы в месте сочленения упругим сочленовным хрящом. Хрящи обеих костей очень точно пригнаны друг к другу. Все сочленение заключено в непроницаемую сумку, внутри которой, таким образом, получается маленькая полость. Сумка эта укрепляет сочленение и в то же время служит для него смазочным аппаратом: внутренняя оболочка ее выделяет жидкость, постоянно смазывающую трущиеся поверхности хрящей.
Рис. 3. Продольный распил трех позвонков. Слева — губчатые тела позвонков, соединенные хрящевыми подушками; справа — остистые отростки позвонков, сращенные между собою связками. Посредине — канал для спинного мозга с отверстиями для входа и выхода нервов. (По Шпальтегольцу).
Это еще не все. Сочленения окружены со всех сторон мышцами, которые сращены с обеими сочлененными костями. Мышцы со своей стороны обладают большой прочностью на растяжение. Притом они постоянно несколько натянуты и содействуют закреплению сочленения в еще большей мере, чем воздушное давление.
Рис. 4. Локтевое сочленение правой руки, вскрытое спереди. Хорошо видны блок плече-локтевого и шарик плече-лучевого сочленения. А — плечо, Б — локтевая, В — лучевая кость. (По Тольдту).
Кость обладает огромной и разносторонней механической прочностью. В общем прочность кости приближается к прочности латуни. В то же время костные сооружения чрезвычайно легки. Чем же достигается такая крепость кости? Из какого же вещества она состоит?
Химический состав кости не сложен: она состоит в наибольшей части из разных известковых солей, главным образом из фосфорно-кислой извести.
Костное вещество состоит целиком из тончайших трубочек, пронизанных очень тонкими каналами. Стенка такого канальца состоит из ряда слоев, и каждый слой представляет собою сеточку из тончайших волоконец, пропитанную известковыми солями.
Если вы знакомы с железо-бетонными конструкциями, то вы увидите в строении стенок костных канальцев большое сходство с этими конструкциями. Волокнистые сеточки соответствуют арматуре железо-бетонных балок, а известковые соли соответствуют бетону.
Живая кость обладает одним замечательным свойством. Она развивается сильнее всего там и в тех направлениях, где на нее воздействуют наибольшие силы, и вырождается в тех местах и направлениях, где силы не действуют. Поэтому получается, что кость есть своего рода самостроящийся автоматический мост.
Значит, вся кость в целом имеет строение трубки. Она построена точно так же, как трубы, из которых состоит велосипедная рама, и так же, как и последняя, соединяет прочность с экономией материала. Концы кости одеты с поверхности тонким сплошным слоем костного вещества, а внутри это костное вещество образует систему взаимно-пересекающихся перегородок. Интересно, что там, где несколько смежных костей в общей совокупности подвергаются одним и тем же усилиям, перегородки в них представляют собою как бы непосредственное продолжение друг друга.
Итак, мы несколько освоились со строением, биомеханическими возможностями и свойствами человеческой машины. Это необходимо, так как достаточное знакомство с основными характеристиками машины позволяет в дальнейшем применить свои знания к всевозможным частным случаям.